高溫炭化法制備竹炭的研究-吸附

高溫炭化法制備竹炭的研究-吸附

　　摘要：采用高溫炭化法制備竹炭。研究了溫度、保溫時(shí)間和升溫速率對(duì)竹炭吸附性能的影響，并通過N 吸附等溫線對(duì)其孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果表明，隨著溫度、保溫時(shí)間的增大，竹炭的亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì);升溫速率的提高，促進(jìn)了炭素前驅(qū)體石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)達(dá);高溫炭化法可以制得微孔、中孔、大孔較發(fā)達(dá)的竹炭。在較佳的實(shí)驗(yàn)條件下，高溫炭化法可制得竹炭的亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值分布為280mg/g和947.3mg/g。
　　論文關(guān)鍵詞：高溫炭化,竹炭,吸附
　　竹材作為一種多孔介質(zhì)材料，熱解后形成的竹炭具有特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，且有一定的比表面積，廣泛用于調(diào)濕、有害氣體的去除以及水體中有機(jī)污染物和重金屬的去除。近年，隨著竹材加工工業(yè)的發(fā)展，在其加工過程中，將出現(xiàn)很多竹刨花、竹屑等加工剩余物，企業(yè)一般將其作為燃料，如果將竹材及其副產(chǎn)品用于制備竹炭、竹活性炭等環(huán)節(jié)友好型吸附材料，可為竹炭、竹活性炭的制備提供良好的原料來源。
因竹炭來源廣、成本低廉、吸附性能良好，越來越多的研究者對(duì)竹炭的制備及吸附性能進(jìn)行了研究。戴嘉璐等采用竹材為原料，經(jīng)高溫炭化制得竹炭研究結(jié)果表明，竹炭結(jié)構(gòu)是含石墨微晶的無定型碳結(jié)構(gòu)，基本保持竹材的微觀形態(tài)，導(dǎo)管內(nèi)壁存在類似層狀石墨結(jié)構(gòu)。朱江濤等研究了30℃下竹炭對(duì)苯酚溶液的吸附動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明，竹炭對(duì)苯酚的吸附動(dòng)力學(xué)過程可以用準(zhǔn)二級(jí)模型進(jìn)行很好的描述。蔣新元等利用不同部位的竹材如竹蔸、竹節(jié)和竹枝制備竹炭，并對(duì)其進(jìn)行表征。S.Y.Wang等研究了不同制備工藝條件下，竹炭對(duì)水溶液中Pb，Cu和Cr的吸附，結(jié)果表明900℃制得的竹炭的吸附性能和比表面積比800℃的高。H.Lalhruaitluanga等研究了竹炭、竹活性炭對(duì)Pb的吸附情況，結(jié)果表明，竹炭、竹活性炭對(duì)Pb的吸附，主要由其表面的–OH，C H和C O官能團(tuán)起作用。KeiMizuta等比較了市售活性炭與竹炭對(duì)水溶液中硝酸鹽的吸附，結(jié)果表明，竹炭的吸附性能對(duì)水溶液中的硝酸鹽的吸附性能優(yōu)于市售活性炭�！　”狙芯坎捎酶邷靥炕�的方法制備竹炭，討論了炭化溫度、保溫時(shí)間和升溫速率對(duì)竹炭吸附性能的影響，并對(duì)其進(jìn)行表征，以期為竹炭的制備和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　1、材料與方法
　　1.1原料
　　以南平邵武市產(chǎn)的毛竹為原料(3年生)，粉碎、過篩，取粒徑0.2～1mm，自然風(fēng)干后備用。
　　1.2試驗(yàn)步驟
　　用日本制KDFS.70型，程序升溫爐對(duì)竹屑進(jìn)行炭化，以3～15℃/min的升溫速度到4個(gè)不同的溫度(500～1000℃)并保溫2～10h。
　　1.3檢測(cè)方法
　　依據(jù)GB/T12496.8-1999，12496.10—1999，測(cè)定竹炭的亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值。采用美國(guó)Micrometric公司ASAP2010型全自動(dòng)比表面積分析儀對(duì)竹炭的比表面積進(jìn)行測(cè)定。
　　表1炭化工藝對(duì)竹炭性能的影響
　　Table1Theeffectofcarbonizationconditions

工藝	得 率（%）	亞甲基藍(lán) (mg/g)	碘值(mg/g)
500-5-4	32.78	32.5	546.0
600-5-4	26.86	35.5	593.3
700-5-4	21.39	38.5	681.2
800-5-4	17.05	121	823.2
900-5-4	14.71	235	873.9
1000-5-4	8.31	182.5	842.1
900-5-2	17.92	175	725.1
900-5-4	14.71	235	873.9
900-5-6	10.15	280	947.3
900-5-8	7.84	283	972.5
900-5-10	2.06	302.5	1032.8
900-3-4	14.01	212.5	809.4
900-5-4	14.71	235	873.9
900-10-4	15.65	227.5	833
900-15-4	14.32	230.5	819.3

　　注：500-5-4表示500℃-5℃/min-4h
　　2、結(jié)果與討論
　　2.1溫度的影響
　　為了解炭化的溫度對(duì)竹炭性能的影響，研究以5℃/min的升溫速率到500～1000℃，保溫4h制備竹炭，結(jié)果列于表1。由表1可知，隨著炭化溫度的升高，竹炭的得率呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，從500℃的32.78%降低到1000℃的8.31%，這是由于隨著溫度的升高，竹屑熱分解反應(yīng)進(jìn)行得激烈，燒失增大，得率降低。亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在500～700℃時(shí)變化不大，700～900℃時(shí)，有了較大的增加，分別從700℃的38.5mg/g和681.2mg/g上升到900℃的235mg/g和873.9mg/g，而當(dāng)溫度繼續(xù)上升到1000℃時(shí)，又有所下降。這是由于溫度高時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行的比較激烈，能在較短的時(shí)間內(nèi)，生成發(fā)達(dá)的微孔，但溫度過高時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行的太快，反而會(huì)使微孔進(jìn)一步燒失成中孔或大孔。
　　2.2保溫時(shí)間的影響
　　為了解保溫時(shí)間對(duì)竹炭性能的影響，研究以5℃/min的升溫速率到900℃，保溫2～10h制備竹炭，結(jié)果列于表1。由表1可知，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，竹炭的得率呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，從2h的17.92%下降到1000℃的2.06%，這是由于隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，熱分解反應(yīng)進(jìn)行得越充分，燒失增大，得率降低。亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，其中2～4h有較大的增加，分別從2h的175mg/g和725.1mg/g增加到4h的235mg/g和873.9mg/g，4～6h階段，也有較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，6h時(shí)分別達(dá)到280mg/g和947.3mg/g，6～10h階段，變化較小，基本達(dá)到平衡。這是由于保溫時(shí)間太短，活化反應(yīng)進(jìn)行得不夠充分，氧氣只在物料的表層發(fā)生反應(yīng)，沒有足夠的時(shí)間進(jìn)入里層進(jìn)行反應(yīng)，所以吸附性能比較差。保溫時(shí)間太長(zhǎng)，活化反應(yīng)進(jìn)行得比較充分，在孔隙結(jié)構(gòu)生成的同時(shí)，也有大量的孔隙結(jié)構(gòu)被燒失，故吸附性能變化不大。
　　2.3升溫速率的影響
　　為了解升溫速率對(duì)竹炭性能的影響，研究以3～15℃/min的升溫速率到900℃，保溫4h制備竹炭，結(jié)果列于表1。由表1可知，隨著升溫速率的提高，得率、亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，得率在10℃/min達(dá)到最大，為15.65%，而亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值在升溫速率為5℃/min達(dá)到最大，分別為235mg/g和873.9mg/g。
　　這是由于升溫速率的提高可使木質(zhì)原料的熱分解加快，氣體釋放的速率加快，燒失增多，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較多合適的游離基，而且氣體析出速率增加，促進(jìn)了炭素前驅(qū)體石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)達(dá)。由表1還可知，得率、亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值隨升溫速率的升高，變化不大，總體保持平衡，說明升溫速率對(duì)其影響不大。
　　2.4N吸附等溫線的分析 吸附等溫線常用來表示吸附系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，還可以用來計(jì)算吸附劑的比表面積、孔隙體積和孔徑分布等。圖1描述了900℃，保溫2~8h的竹炭吸附等溫線。由圖1可以看出，不同保溫時(shí)間的N吸附等溫線的形狀相似，氮?dú)馕�收量的增加不僅在低相對(duì)壓力下，而且在整個(gè)壓力范圍內(nèi)也是明顯的。按國(guó)際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)的分類，該類等溫線屬于Ⅰ型和Ⅱ型的結(jié)合型，說明該竹炭具有較發(fā)達(dá)的中孔和微孔�！　∮蓤D1明顯看出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，竹炭對(duì)氮?dú)獾奈�附能力也隨之升高。在相對(duì)壓力小于0.1時(shí)，微孔被完全填充，而隨著相對(duì)壓力的進(jìn)一步增大，對(duì)應(yīng)的吸附容積也不斷增大(該階段為中孔的填充過程)，說明具有發(fā)達(dá)的中孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)相對(duì)壓力大于0.9時(shí)，氮?dú)馕�附量則出現(xiàn)較大的增加，即吸附等溫線有“脫尾”現(xiàn)象，說明大孔也較發(fā)達(dá)。根據(jù)以上分析可知，竹炭具有發(fā)達(dá)的微孔、中孔、大孔結(jié)構(gòu)，且隨溫度的升高，孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá)。
　　由圖1還可知，6h和8h的吸附等溫線比較接近，說明這兩種條件下制得的竹炭孔隙結(jié)構(gòu)差不多，時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)其孔隙結(jié)構(gòu)影響不大。而2～6h的吸附等溫線在對(duì)應(yīng)的相對(duì)壓力下，有較大的變化，說明在該階段，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，有利于竹炭孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)達(dá)。
　　3、結(jié)論
　　(1)隨著溫度、保溫時(shí)間的增大，竹炭的亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。升溫速率的提高，促進(jìn)了炭素前驅(qū)體石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)達(dá)。
　　(2)根據(jù)N吸附等溫線的分析，高溫炭化法可以制得微孔、中孔、大孔較發(fā)達(dá)的竹炭。
　　(3)在較佳的實(shí)驗(yàn)條件下，高溫炭化法可制得竹炭的亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值分布為280mg/g和947.3mg/g。
　　參考文獻(xiàn)
　　1 張文標(biāo) ,錢新標(biāo) ,馬靈飛.不同炭化溫度的竹炭對(duì)重金屬離子的吸附性能[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,33(6):20-24.
　　2 孫新元, 吳光前, 張齊生.竹炭對(duì)微污染水中有機(jī)污染物的吸附[J].環(huán)境科技,2010,23(1):15-18.
　　3 張齊生.重視竹材化學(xué)利用、開發(fā)竹炭應(yīng)用技術(shù)[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,25(1):1-4.
　　4 戴嘉璐,郭興忠,楊輝,等.竹炭微結(jié)構(gòu)的研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,25(5):743-745.
　　5 朱江濤,黃正宏,康飛宇,等.活性竹炭對(duì)苯酚的吸附動(dòng)力學(xué)[J].新型炭材料,2008,23(4):326-330.
　　6 蔣新元,胡迅,李湘洲,等.不同部位竹材制備竹活性炭及其對(duì)苯酚的吸附性能[J].林業(yè)科學(xué),2009,45(4):107-111.
　　7 Song-Yung Wang,Ming-Hsiu Tsai,Sheng-Fong Lo,et al.Effects of manufacturing conditions on the adsorption capacity of heavy metal ions by Makino bamboocharcoal[J].Bioresource Technology,2008,99(15):7027-7033.
　　8 H. Lalhruaitluanga,K. Jayaram,M.N.V. Prasad,et al.Lead(II) adsorption from aqueous solutions by raw and activated charcoals of Melocanna baccifera Roxburgh (bamboo)—A comparative study[J].Journal of Hazardous Materials,2010,175(1-3):311-318.
　　9 Kei Mizuta,Toshitatsu Matsumoto,Yasuo Hatate,et al.Removal of nitrate?nitrogen from drinking water using bamboo powder charcoal[J].Bioresource Technology,2004,95(3):255-257.
　　10 Zhonghua Hu,M.P.Srinivasan,Yaming Ni.Novel activation process for preparing highly microporous and mesoporous activatedcarbons[J].Carbon,2001,39(6):877-886.
　　11 R.Arriagada,R.García,M.Molina-Sabio,et al.Effect of steam activation on the porosity and chemical nature of activated carbons from Eucalyptus globules and peach stones[J].microporous materials,1997,8:123-130.

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